Temperatuursensoren in de vorm van een IC

Ze hebben als voordeel dat ze een stabiele waarde leveren. De ingebouwde op-amp zorgt ervoor dat het signaal voldoende groot om vrij van storing te zijn als het signaal over een kleine afstand vervoerd moet worden. Een externe op-amp is vaak nodig om tot een signaal van 0..5V te komen (of je kan de externe weerstanden van de ingebouwde op-amp aanpassen).

Een dergelijke sensor levert een signaal van bijvoorbeeld 10mV/°C, je moet het nulpunt zelf instellen. Soms is de gain instelbaar: 10 tot 100mV/°C. De volledige schakeling heeft een voeding nodig, vaak is dat een symmetrische voedingsspanning.

Voor de hobbyist: kant en klaar pakket. Deze sensor is ideaal voor de meting van de kamertemperatuur. De sensor is redelijk groot en kan niet ingebouwd worden in een meetbuis. Het bereik is ook beperkt, meestal van 0 tot 50°C.

Thermokoppel

Een thermokoppel is een industriestandaard voor relatief hoge temperaturen (deze kunnen bij een temperatuur van 1000°C en meer gebruikt worden). Ze worden vaak in ovens en dergelijke toegepast. De complete installatie bestaat uit een lange meetbuis met daarin de meetprobe, en op het einde een bol waarin de electronica zit, zie voorbeeldfoto rechts. Het uitgangssignaal is vaak een 4-20mA current loop (industry standard).

Een dergelijke sensor levert een heel kleine spanning. De meting is relatief ten opzichte van een "koude las" (de andere kant van de sensor, in de praktijk de electronica). De electronica is vaak gecompenseerd om daarmee rekening te houden. Over het volledig temperatuurverloop is de afgegeven spanning niet 100% evenredig met de temperatuur (kleine lineariteitsfout). Na verloop van tijd vertoont een thermokoppel een hysteresis (bij stijgende of dalende temperatuur loopt de spanning achter). Een thermokoppel wordt dan ook enkel gebruik daar waar er geen alternatieven zijn vanwege de hoge te meten temperaturen.

Voor de hobbyist: een complete set (meetbuis + current loop) is zeer duur, het is beter een losse probe te kopen en zelf voor de nodige electronica te zorgen. Het afgeleverd signaal is echter zeer klein (50µV/°C) zodat een op-amp met lage drift en hoge versterking absoluut noodzakelijk is. Enkel te gebruiken om hoge temperaturen te meten.

RTD

En uiteindelijk de RTD of Resistance Temperature Detector. Deze kan gebruikt worden voor relatief lage temperaturen (maximaal 200°C). Uiteindelijk is het ook een industrie-standaard geworden. Het is een lange staaf met twee, drie of vier draden.

Bij deze sensor verandert de weerstandswaarde. Om deze te meten moet men dus een kleine meetstroom door de sensor sturen. Er zijn verschillende types in omloop die gebruikt kunnen worden om een aan-uit schakelaar te bedienen (een gewone PTC of NTC weerstand kan daarvoor gebruikt worden), maar enkel de Pt100 en Pt1000 zijn lineair genoeg voor nauwkeurige temperatuurmetingen.

Voor de hobbyist: in het algemeen is dit de beste oplossing voor het meten van de temperatuur van bijvoorbeeld de boiler. Hier ook is electronica nodig om het signaal te versterken, maar je hebt meestal ongeveer 30mV/°C (bijna duizend keer sterker als met een thermokoppel).

Thermistoren (NTC/PTC)

Deze sensoren hebben geen lineair verloop maar hebben een grote weerstandsverandering. Ze worden gebruikt bij schakelmodules (aan/uit funktie), beveiliging en bewaking (NTC weerstand bij transistorschakelingen), dus toepassingen waarbij een nauwkeurige temperatuurmeting niet nodig is.

Een PTC wordt vaak gebruikt als schakelelement met steile overgang geleidend (lage temp) - niet geleidend (hoge temp). Ze worden als resetable zekering gebruikt.

De waarde van een NTC wordt meestal gegeven bij 25°C, bijvoorbeeld 100Ω. Deze NTC heeft dan een waarde van 280Ω bij 0°C. De weerstandsverhoudingen zijn echter niet lineair: een NTC van 10Ω bij 25° heeft een weerstand van 17Ω bij 0° (en niet van 28Ω).

Voor de hobbyist: deze sensoren geven een indicatie van de temperatuur maar hebben geen lineair verloop.

Pyrometer

De temperatuur wordt gemeten door de infra-rode straling die objecten uitzenden. De pyrometer wordt bijvoorbeeld gebruikt om draadloos de temperatuur in ovens te meten. De nauwkeurigheid van de meting hangt af van het type oppervlakte waarop de meting uitgevoerd wordt. Om een nauwkeurige meting te garanderen wordt de infra-rode straling in verschillende stralingsbanden gemeten en wordt het resultaat met een processor berekend.

Technische achtergrond

Zo'n sensor kan gemakkelijk nagemaakt worden met een stroombron en een op amp (bijvoorbeeld een LM10 die ingesteld kan worden om een stroombron te leveren). De versterking kan gemakkelijk opgevoerd worden naar 200mV/°C.

RTD
RTD's hadden vroeger de naam van "goedkoop, onbetrouwbaar en niet-lineair" te zijn. Temperatuursafhankelijke weerstanden waren gemakkelijk te vinden, dat zijn de bekende PTC (weerstanden met positieve temperatuurcoëfficient) en NTC's. De temperatuurverloop is niet lineair en verschilt van sensor tot sensor. Dit is met name de oorzaak dat deze componenten een slechte naam gekregen hebben.

Een RTD van industrie-niveau is de Pt100 (een platinadraad die 100Ω heeft bij een temperatuur van 0°C). Metalen hebben doorgaans een positieve temperatuurcoëfficient, en met platina is dat niet anders: Bij 50°C heeft de Pt100 een weerstand van ongeveer 120Ω.

Om de weerstand te meten moet men een stroom door de sensor sturen. Om verwarming te vermijden moet de stroom zeer laag zijn (doorgaans 1mA), maar dit betekent ook dat de spanningsval zeer laag is, ongeveer 100mV. Een op-amp is hier ook noodzakelijk. Er bestaat ook een Pt1000 die beter geschikt is voor nauwkeurige temperatuurmetingen. De Pt1000 wordt dan ook gebruikt voor temperatuurmetingen in lucht, daar waar de warmte-ontwikkeling in de weerstand slechter opgevangen kan worden (lage soortelijke temperatuur van lucht).

Als er relatief lange draden gebruikt worden, speelt de weerstand van de draad ook een rol (maal twee, want er zijn twee geleiders). Hier zijn er verschillende methodes toegepast om de fout te neutraliseren.

• Vierdraadsysteem
  De technisch meest eenvoudige en nauwkeurigste methode. Men gebruikt twee draden voor de meetstroom, en de twee andere draden om de effektieve spanning over de weerstand te meten. Omdat er over de meetdraden geen stroom loopt, is er ook geen spanningsverlies.

  

• Driedraadsmethode
  Men gaat ervan uit dat het verlies door alle draden identiek is (wat doorgaans met de huidige produktiemethodes het geval is). Als men het verlies kent over één draad (dankzij de meetdraad), dan kan men het verlies van de tweede draad (zonder meetdraad) compenseren, daarvoor is er een extra schakeling met een op-amp nodig.

  Met de driedraadsmethode is het niet mogelijk ongelijke verliezen in de aansluitingen te compenseren (bijvoorbeeld door lichte corrosie).

Vaak zal er een tweede op amp nodig zijn om het signaal op te krikken tot de beste waarde voor de analoog-naar-digitaal omzetter, maar de benodigde versterkingsfactor (bijvoorbeeld 5×) is zo laag dat je de versterking kan combineren in één op-amp, zonder dat de weerstandscompensatie minder wordt.

Indien men slechts over een beperkt aantal bits beschikt, kan men een differentiator gebruiken om de nauwkeurigheid via electronische weg te verhogen: het uitmiddelen van de ruis die door de differentiator geproduceert wordt levert een digitale waarde die 10× nauwkeuriger is dan de nauwkeurigheid van de AD omzetter.

Een voorbeeld van een eenvoudige thermometer met een Pt100. De uitgang wordt naar een analoge meter gestuurd, bijvoorbeeld een meter van 0-500µA. Om een duidelijke uitlezing te hebben gebruikt men best een meter met een uitlezing over 270°.

De schakeling is niet geschikt om negatieve temperaturen te meten: het is voldoende de op amp te voeden met een dubbele spanning (+12V en -12V met een 8V transfo) en de waarde van de onderdelen moet dan ook wat aangepast worden.

De uitgangsweerstand (ik heb hier een weerstand van 1kΩ gebruikt) moet aangepast worden aan de gebruikte meter, zodat de meter volledig uitslaat bij een spanning op de op amp van 6V.

Het eigen verbruik is zeer laag (1mA voor de meetkring en 1mA voor de op amp) en een kleine transfo volstaat (12V). De transfo hier levert 2 × 12V, gelijkgericht heb ik een spanning van 18V.

De op amp vergelijkt de spanning over de Pt100 ten opzichte van een vast ingestelde spanning. De instelling van de offset en de gain is klassiek, maar beide instellingen beinvloeden elkaar. De calibratie gebeurt eerst met een weerstand van exact 100Ω (0°C) waarbij we de offset regelen, en dan met een weerstand van 120Ω voor de instelling van de gain (komt overeen met 52°C). Nadien de offset en gain opnieuw controleren.

We gebruiken een opamp van het type LM10 (een op amp die veel gebruikt wordt voor dergelijke toepassingen), waarvan we het tweede deel gebruiken om een vaste stroom van 1mA te leveren.

Voor huiskamertemperaturen is het beter een Pt1000 te gebruiken zodat de spanningszwaai aan de ingang van de op-amp wat groter is. De weerstand van 10kΩ (negatieve ingang van de op amp) moet dan verhoogd worden naar 100kΩ.